02 岩質行星 Rocky Planets

  本章里，我會聊聊我們居住的行星——地球，還有與地球類似的天體——水星、金星和火星這三顆類地行星，以及月球。對國際天文學聯合會(IAU)的天文學家來說，月球只是一顆衛星，但從地質學家或地球物理學家的角度來看，月球的成分和內部結構使其能與類地行星相提並論。圖3是相同比例下的這五個天體，相關數據在表3里。在這一組天體中，水星和月球其實沒有大氣層。金星的體積、質量和密度只比地球小一點點，所以金星的表面重力也只比地球小一點點，但是大氣密度比地球要大得多。火星的體積比水星大，密度比水星小，由此產生的兩種效應相互抵消，所以火星和水星的表面引力非常接近，不過由於火星更冷，所以它能夠保持稀薄卻像樣的大氣層。月球的表面重力為地球的六分之一，是這些天體中表面重力最低的，這是月球漫步者會以奇怪的方式四處走動的原因。表中的平均表面溫度略去了這五個天體的地表溫度隨緯度的巨大變化，在某些情況下，還略去了晝夜之間地表溫度的變化。例如在白天，水星的最高溫度超過400℃，而漫長的水星之夜後，水星黎明的溫度低於-180℃。

  表3　類地行星的基本數

  圖3　上圖：以相同的比例從左到右展示——水星、金星、地球、月球和火星。下圖：更大的巨行星、木星、土星、天王星和海王星，還有和它們同樣比例的類地行星

  核

  類地行星的特點是外表有很多岩石，主要是矽酸鹽礦物類。但它的密度很大，裡面不可能全部都是岩石，所以我們認為類地行星中心有一個富含鐵的內核。沒有一顆行星的核可以被直接看到或取樣，但有幾條彼此獨立的證據鏈可以證明類地行星有一個富含鐵的內核。其中之一是密度，即使考慮到類地行星內部會在高壓下壓縮，類地行星內部的密度也必須比岩石大。並且，軌道飛行器的軌道分析結果證明，沿著指向行星中心的各個方向，密度對稱地增加。模擬岩質行星內部可能狀況的化學模型表明，岩質行星內部深處的氧不足以使所有鐵被氧化結合在矽酸鹽礦物中。因此，如果行星的內部曾經熔融，金屬鐵因為比岩石密度更大，將向中心下沉。這是一種分化過程。

  地球和水星的富鐵核外側一定是熔融狀態的，證據是這兩顆行星現在都有很強的磁場。地球和水星的磁場顯然是由導電流體的發電機運動產生的。對於如此小的行星來說，水星的密度非常高，所以它的核一定非常大，估計占據了水星體積的40%和質量的75%。金星、月球和火星內部沒有產生磁場，所以它們的核可能是完全凝固的。

  研究地球時，我們通過研究地震波如何穿過地球，獲得了很多關於地核的證據。地震波是由地震(或地下核試驗)引發的振動，它證實了地球有一個半徑為1215千米的固態內核和一個半徑為3470千米的液態外核，這兩者的成分似乎都主要是含有5%~10%鎳的鐵合金，但地球的密度參考值說明地核含有密度小於鐵的物質，它只占地球外核的6%~10%，內核的2%~5%。對此最可能的解釋是地核里混進了氧、矽和硫。

  

  總的來說，地核約占地球體積的16%。金星和火星的核分別約占各自體積的12%和9%，這兩個數值主要是根據兩顆行星的平均密度估算出來的。另外關於月球有限的地震數據來自阿波羅計劃，它們暗示著月球有一個相對較小的核，半徑在220~450千米之間(不到月球總體積的4%)。大約每20顆隕石中就有1顆成分是含4.5%~18%鎳的鐵合金，這與小行星帶中小行星的核一樣，這些核在碰撞分解前就已經在內部分化了。

  幔和殼

  類地行星核周圍的矽酸鹽部分被稱為幔。幔占據了類地行星的大部分體積和大部分質量(除了水星)。殼是覆蓋在幔上相對較小的部分，也是由各種矽酸鹽組成的，不過在成分上與幔略有不同。

  行星目前的幔是由熔化的岩石演化來的，這些岩石曾在最終的巨大撞擊時覆蓋整個行星，地質學家稱之為「岩漿海洋」。在岩漿海洋冷卻的過程中，它的表面會向太空輻射熱量，使其冷卻成堅硬的外殼。然而，由於來自下層的湍流和上層的撞擊，這層外殼會不斷地反覆破裂然後被攪動。岩漿海洋會持續冷卻，但不像水球會最終凍結，類地行星上沒有使整個岩漿海洋變成固體的特定凝結溫度。熔融矽酸鹽物質的性質就是這樣，各種成分的礦物會在不同的溫度和壓力下結晶。行星科學家們還不確定岩漿海洋的分層結晶程度，也不確定密度高的礦物是否能夠下沉，密度較低的礦物是否能夠上浮，或許它們還會粘在一起形成巨大的「岩石冰山」，能使其自身更有效地浮起。

  這些聚集的漂浮物質在化學成分上與其下方的岩漿海洋不同，它們形成了月球最早的真正意義上的殼。如今，聚集的漂浮物質在月球上以高地(月球表面的蒼白區域)的形式存在。在更大的類地行星上，最古老的地殼的性質還沒有被確定，部分原因是最古老的地殼很多被後來的殼所取代(至少被覆蓋了)。要想知道這是如何發生的，我們必須把注意力轉回幔。當一顆年輕的行星冷卻下來時，它的幔會完全凝固，矽酸鹽物質的兩個重要特性隨之開始作用。其中之一是：足夠熱的矽酸鹽固體既不是完全不動的，也不是完全定型的。行星內部的熱岩石能夠以每年幾厘米的速度(和指甲生長的速度一樣)流動，就像一塊瀝青會隨著時間變形一樣。對一個堅固的幔來說，如果存在驅動力，在固體地幔中會發生緩慢的，但在地質學上來說是實實在在的移動。在行星內部，推動幔的動力來自熱量。深層幔，其密度將略低於較冷的上部地幔，因此它們有交換位置的趨勢。這種運動被稱為對流，你可以在加熱的湯鍋中觀察到它，但在行星內部，「固態對流」要慢得多。

  想像一條由熱幔形成的「飾帶」或「羽流」在向上流動，並將較冷的幔向下置換。離地表越近，上升幔所經受的壓力就越小，這就用上了矽酸鹽的第二個相關特徵。隨著壓力下降，矽酸鹽開始熔化，這一過程被稱為「部分熔融」，因為只有部分固體會熔化。這樣形成的岩漿里二氧化矽的含量會略高於形成岩漿的固體。由此產生的岩漿密度也比固體低，浮力會把岩漿向表面擠壓，尤其在覆蓋在岩漿上的岩石受張力或已經斷裂形成通道時。除非岩漿成為侵入物滯留在地下，否則它會通過火山向外噴發。

  以這種方式形成的岩石被稱為火成岩。岩漿活動所產生的殼可以通過滲透或覆蓋的方式取代行星原有的殼。月球上的黑斑，也就是月球上的「月海」——是低洼地帶，那裡顏色較淺的原始地殼被以這種方式產生的熔岩流掩埋了。現在地球上殼的來源一個是地幔部分熔融形成的海洋地殼，還有多代海洋地殼熔融、再循環形成的大陸地殼。地球的海洋地殼厚6~11千米，而大陸地殼的厚度可以從較薄拉伸地帶的25千米左右上升到主要山脈下面90千米。總的來說，地殼只占地球總體積約1%。月球的殼的平均厚度約為70千米(占月球體積的13%)，範圍包括高地地區大於100千米到某些主要撞擊盆地下的20千米。

  總之，在化學成分上，殼與下面的幔類似，不同之處在殼從幔中提取的方式。殼的密度較低，一般來說二氧化矽含量比幔高。殼比幔更多樣化，殼中有岩石，它能與任何大氣或液態水發生化學反應。這些岩石被分解或溶解，被重力、風、水或冰帶走，沉積在其他地方。這些沉積物叫作沉積岩。埋藏、變形和加熱可導致沉積岩或火成岩再結晶，通過這種過程形成的岩石被稱為變質岩。

  內部熱量

  行星的內部很熱，部分原因是吸積過程留下了熱量。對更大的行星來說，這種「原始熱量」現存的比例會更大。因為含熱量與行星體積有關，行星體積取決於半徑的立方，熱流失受表面積的限制，表面積只取決於半徑的平方。

  行星內部也會因為放射性同位素的衰變產生熱量。會衰變的放射性同位素有很多，但只有四種會產生明顯的熱量：鉀-40、鈾-238、鈾-235和釷-232。由於它們的化學特徵，這些元素在岩石殼中的含量比在幔中更為豐富。在地球上，地殼所產生的輻射熱(放射性衰變)與體積比地殼大得多的地幔所產生的輻射熱大致相同。

  類地行星產熱元素的總量取決於它的質量(也取決於體積)。就像原始熱量一樣，在更大的行星上，放射熱會被更有效地保留下來。以地球為例，現今散發到地表的熱量僅有一半左右是原始熱量，其餘幾乎都是放射熱。

  岩石圈

  在殼和幔交界以下到達一定深度之後，物質通常會發生由冷而硬到熱而流動的轉變，殼和最上層幔構成了一個均一的力學層——一層堅硬的外殼。它被稱為「岩石圈」，我們用希臘單詞lithos （岩石)來表示這層岩石具有普通岩石的力學特性。岩石圈下面是幔，雖然幔的成分也是岩石，但它足夠熱，足夠脆弱，可以產生對流。這個區域有時也被稱為軟流圈(asthenosphere，包含希臘語a-sthenos表示，意思是「沒有力量」)。

  地球的岩石圈大約有100千米厚，被分成了許多板塊。由於底層軟流圈特別脆弱，這些板塊會被「衝散」。作為「板塊構造」過程的一部分，岩石圈在板塊被拉開的地方(通常是海洋深處，我們看不到)形成，然後會在一個板塊被拉到另一個板塊下方之後(也就是海溝標記的俯衝帶)被破壞。大多數地震是由一個板塊被鄰近板塊碾壓所引起的。如果有人告訴你地球板塊構造是「地殼在地幔上滑動」，那他們就錯了，他們犯了許多學校教科書和考試大綱上常見的錯誤。事實上，地球板塊是由地殼和與其連接的最上層堅硬地幔組成的，它們一起滑過更深、但不那麼堅硬的軟流圈地幔。

  岩石圈是脆弱的，當一塊岩石碾過另一塊岩石時，就會發生斷層。斷層在地球上很常見，尤其是在兩個板塊相遇的區域。我們在其他行星上也發現了斷層(圖4)。

  圖4　500千米寬水星局部圖。太陽光來自右邊。影子標出一個千米級的陡坡，它的一側有一個開放的字母M的形狀。這是一個名叫獵犬懸崖的古老逆沖斷層，它標誌著右邊(東邊)的地面被推到左邊(西邊)的地面之上。圖中一些隕石坑比這個斷層更古老，而另一些則比這個斷層更年輕

  板塊構造似乎是地球特有的。水星、月球和火星是更容易冷卻的較小天體，它們的岩石圈也更厚，這無疑是僅在地球有板塊構造的原因之一。但另一個更重要的因素在於，要使板塊具有可移動性，軟流圈的頂部需要足夠脆弱。在地球內部，岩石當中含有少量水，這不僅讓它們更脆弱，還形成了少量能潤滑顆粒邊界的熔化物。金星沒有水分，所以它的軟流圈是乾燥的，岩石圈板塊無法在其上自由滑動。

  行星的軟流圈或是乾燥或是非常深厚，這對行星表面產生了兩個主要影響：第一個是影響山脈的高度和盆地的深度。如果山脈和盆地的落差太大，軟流圈就會使覆蓋在上面的岩石圈流動並彎折，將地形反差度降到足以僅靠岩石圈的強度來支撐。第二個是影響軟流圈帶來的大衝擊導致的裂紋。直徑幾十千米的衝擊物以排山倒海之勢衝擊岩石圈，將其破壞，形成了盆地狀的隕石坑，並帶有同心裂縫環這一特徵。在較薄的岩石圈中，這些同心裂縫環往往更加緻密，因此可以用一些多環碰撞盆地來估計軟流圈形成時的深度。當一顆行星慢慢冷卻時，其岩石圈會逐漸變厚。

  火山活動

  岩漿是熔岩爆發前的名字，它主要有三個產生原因。熱量可以直接作為岩漿的第一個成因，但也是最不重要的一個。行星岩石圈以下的熱量積累緩慢，這可能導致大量的火山活動，行星內部強烈變化的潮汐應力又會造成星體內部的摩擦，導致「潮汐加熱」，形成岩漿。壓力的突然降低也有可能導致熔融，這可能是岩漿的第二個成因，這一情況只發生在大型撞擊盆地所在的幔上。幔的上升區壓力降低會導致熔岩部分熔化(例如，導致地球海洋地殼的形成)。岩漿形成的第三個原因是將水引入地幔或地殼，下層水會降低矽酸鹽熔化的初始溫度。地球俯衝帶的上方有一串火山，因為被向下拖拽的俯衝板塊的岩石中含有水，這些水向上滲入了俯衝板塊上的覆蓋板塊底部。覆蓋板塊底部的溫度沒有熱到足以使熔岩直接熔化，但即使溫度沒有上升，只要引入水，熔岩就會開始熔化。

  月球

  自從人們通過望遠鏡看到月球上的火山口，就開始推測月球火山活動。但他們錯了，因為我們現在相當肯定，月球上幾乎所有的環形山都是由撞擊造成的。事實上，月球上主要的火山區域是那些曾被認為是乾涸海床的黑色區域，儘管它們的名字仍然是mare(發音為mah-ray)，意思是「海」。黑色區域的名字的複數是「maria」(發音為mah-ri-a)。火山區覆蓋了約17%的月球表面，大部分位於月球離我們近的那面，也就是一直面向地球的那個半球。在這裡，與陸地玄武岩成分相似的熔岩已經淹沒了大多數多環碰撞盆地。

  月海玄武岩的具體噴發口很難確定(圖5)。這些噴發口很明顯不是圓錐形火山，很有可能是裂縫。最有可能的是，熾熱的熔岩通過裂縫被膨脹的火山氣體噴射到高度超過1千米的地方。熔岩掉到地面的過程中，仍然熾熱得足以攤開，蜿蜒流下數百千米。隨著噴發速度的減弱，大部分裂縫的噴發口自動封閉，或者被後來的火山噴發所掩埋。

  圖5　200 千米寬的視野下，月海的東南邊緣。右邊的崎嶇地形是盆地邊緣部分隆起的高原地殼。左上方較暗、較光滑的區域是月海玄武岩，它淹沒了地勢較低的地區。一條名為哈德利溝紋（Hadley Rille）的1千米寬的海溝從南到北穿過視野中心。我們認為這是一條通道，熔岩從一個幾乎被陰影遮蔽的源頭流出後，流經這裡。阿波羅15號在接近圖像的中間、靠近哈德利溝紋的地方著陸

  阿波羅的六次登月計劃 (1969—1972年)中，有四次是在月海上登陸的，因為那裡地勢平坦，比高地更安全。阿波羅號帶回了可供分析的月海玄武岩樣品，通過其中的放射性物質的衰變情況(放射性年代測定法)，我們進行了高精度年代測定。該樣品展示了年齡在39億年到31億年之間的月海，這樣長時間的火山作用可以對月海做最簡單的火山解釋——盆地形成直接引發了火山作用。此外，2000年後的研究已經測定了一些重疊隕石坑足夠少的月海，這些月海的年齡都小於12億年。但在2007年，地球上發現了一片被認定為隕石的月球碎片。這個碎片是作為隕石撞擊的拋射物被拋出月球的，裡面含有已經存在43.5億年的玄武岩碎片，比晚期重轟擊的結束時間提早了5億年。如此高齡的月海被隨後形成盆地的拋射物掩埋，已經看不見了。所以如今我們知道，月球上的火山活動開始得早，結束得晚。

  水星

  水星的知名度遠不如月球。不到一半的水星圖片是由美國國家航天局(NASA)的水手10號在1974年至1975年間拍攝的。此後，再沒有探測器到達過水星。直到2008年，美國宇航局的信使號探測器開始一系列的多重掠行後，水星才再次被探訪。信使號探測器揭示的細節足以消除大多數人對水星上火山活躍程度的懷疑。如圖4中右下角光滑的地形和正上方直徑為120千米的盆地現在被認定為火山。水星缺乏淺色高地和深色熔岩之間反照率(反射亮度)的對比，人們先前最懷疑的就在這兒。淺色高地和深色熔岩使月球上的月海十分明顯，這似乎是因為水星熔岩礦物質里的鐵含量比月球(和地球陸地)玄武岩里的鐵含量要少得多。熔岩形成的平原可能占了大部分水星表面，其中一些年齡大到可以追溯到晚期重轟擊時代，還有密集的隕石坑。另一些熔岩形成的平原年齡比較小，上面的隕石坑較少。

  信使號拍攝了一些火山口的照片，還拍攝了一些奇怪的10千米大的斑點。這些斑點有些明亮，有些黑暗，可能是特別年輕的爆炸性噴發點。在宇宙飛船進入水星軌道更系統、詳細地記錄水星圖像之前，水星火山活動的持續時間很可能還無法確定。確認水星火山活動的持續時間的第一個機會將是2011年[1]信使號進入水星軌道的時刻。如果信使號仍然沒有解決這個問題，那麼水星火山活動的持續時間將由歐洲航天局的貝比科隆博(BepiColombo)水星探測計劃來解決，該任務計劃2020年抵達水星。但可以肯定地說，水星的大面積熔岩至少是在30~40億年前形成的，但很可能在過去10億年內還有熔岩形成。水星上有如此長時間的火山活動是人們沒有預料到的，這可能是由同一個神秘熱源加熱，並且這個熱源還使水星的核心至今仍有部分熔融。

  金星

  金星比水星大得多。它的大小和質量表明，金星產生的熱輻射幾乎和地球一樣多，因此金星上火山活動的頻次也和地球差不多。但由於金星沒有板塊構造，兩者火山活動的形式大相逕庭。

  金星有一個濃密的、永遠多雲的大氣層，這使得我們能用雷達來研究金星之前，它的表面一直是個謎。圖6顯示了美國國家航天局(NASA)的麥哲倫號探測器獲得的部分金星雷達圖像。該探測器在1990年至1994年間幾乎繪製出了整個金星的地圖。通過向地面連續發射一連串雷達脈衝，再對反彈回來的波進行複雜分析、組合，形成了雷達圖像。在大多數情況下，你可以像看黑白光學圖像一樣看雷達圖像，但事實上，行星每個特徵的亮度主要取決於行星局部表面的粗糙程度，而不是它對可見光的反射率。

  圖6展現了金星表面的大部分特徵，多個從西向東的熔岩流穿過圖中，一些更粗糙(更亮)，一些更平滑(更暗)。單個熔岩流的葉狀模式與地球和火星上的熔岩流非常相似，但這種模式在月球和水星上卻很難辨別，因為月球和水星上的熔岩流邊緣已經被撞擊分解了。

  圖6　麥哲倫號拍攝的500千米寬的部分金星圖像。該地區部分是熔岩，源自圖像中心以西300千米處。但圖像東南角是一些崎嶇的地形，代表金星上現存的最古老的地殼。圖像的西部，從北到南是一個被熔岩流破壞的帶脊和斷裂地形的山區

  除了大約覆蓋了表面一半的熔岩流，金星上還有許多清晰可辨的火山。圖7顯示了一個例子，該圖片的背景是一座5千米高的火山，側翼呈緩坡狀。這種火山在地球上被稱為「盾狀火山」，是玄武岩通過一個火山口反覆噴發形成的。在火山的側面可以看到單個熔岩流。沒有人知道這座火山或其他類似火山的上一次噴發是在多久以前。金星近期或現今的火山活動，是否都存在這種形式？對於這些問題，有一些有趣的線索，但都沒有證據。因為這些火山活動太小了，無法提供計算隕石坑的可靠統計數據。這座特殊的火山建立在一個較古老的地域上，這個地域更為平坦，上面有許多裂縫。圖7前景中的隕石坑可能與它左邊明亮的熔岩流無關。

  金星上有超過300個被稱為「冕」(coronae)的同心環狀或橢圓形裂縫。我們認為這些裂縫的起源與月球和水星的多球撞擊盆地不同。它們的直徑從200米到2000多千米不等，通常與某種形式的火山活動有關。也許每一個冕都標誌著一個地點，即軟流圈中上升的地幔柱頂住岩石圈的底部。地幔柱仍在這裡的冠狀抬升為非常寬的圓頂，而較早的冠狀區因為缺少地幔柱的支撐，會漸漸塌陷。這種下陷解釋了同心斷裂。

  圖7　計算機生成的金星上瑪阿特火山（Maat Mons）的三維透視圖。該圖是通過在雷達測高儀獲得的地形模型上覆蓋雷達圖像來實現的，火山的垂直尺度被放大了10 倍。這兩組數據都是由麥哲倫號探測器收集的。右前部分的隕石坑直徑23千米

  金星上的隕石坑比地球上要多，但遠比月球和水星上的少(在圖6中你不會發現任何隕石坑)。這其中兩個因素在起作用。在金星上是看不到直徑小於3千米的隕石坑的，它稠密的大氣層保護了其表面不受小撞擊。但有一些較大型的隕石坑，因為攜帶過多能量的物體不受金星大氣的影響。較大隕石坑的數量少，可能是因為這平均年齡只有5~7億年的年輕金星表面。金星地表年齡比較平均，沒有特別古老或特別年輕的大片地形。

  在20世紀90年代，對這一現象的標準解釋是：幾乎整個金星的地表都是在一場5~7億年前，持續不超過幾千萬年的火山活動中重新塑造的。這與金星缺乏板塊構造的原因一致。因為缺乏板塊構造，在大部分上層軟流圈熔化之前，深層幔的大部分熱量都被困在岩石圈蓋之下。最終，冷而緻密的岩石圈崩塌，而困於岩石圈下面的岩漿將會噴發。自金星形成以來，類似的事情可能已經發生了六次，在接下來的1億年內可能還會再次發生。

  最近，這種讓金星有全球災難性火山爆發的模型遭到了質疑，因為隕石坑的統計數據並不能排除這個塑造過程是在一個更長的時期內發生的，比如在過去的5億年裡，不定時被熔岩覆蓋的隨機區域越來越小。

  地球

  在地球上，內部熱量的收支是由火山活動和板塊構造共同調節的，從而不能使用金星上的軟流層溫度偏移的假設。在地球岩石圈以下產生的熱量中，只有大約三分之一是通過傳導發散出去了。其餘大部分熱量通過大洋中脊的噴發被傳遞到岩石圈頂部(在大洋中脊，新的物質被添加到分離的板塊之間)。此外，在岩石圈以下產生的小部分熱量則是通過俯衝帶上的火山爆發和地幔柱上的各種「熱點」被傳遞到岩石圈頂部。在俯衝帶，岩石圈板塊舊的、冷的部分回流融入軟流圈，使得它重新冷卻。

  我們最接近金星火山災難的是：每隔幾千萬年，就有一個直徑達1000千米的區域會被多達10立方千米的玄武岩熔岩所掩埋，這就是所謂的「洪流玄武岩」。印度西北部的「德干陷阱」(6600萬年前)、英國-北極泛濫玄武岩(格陵蘭島和不列顛群島西北部，5700萬年前)、哥倫比亞河洪流玄武岩(美國西北部，1600萬年前)都是比較著名的例子。這些重大且罕見的事件可能會向大氣中注入大量火山氣體，尤其是二氧化硫，以及被稱為「火山灰」的火山岩碎片，這會嚴重影響全球氣候。圖8顯示了地球上熔岩流的一個例子，可以與其他行星的圖像進行比較。

  圖8　這張70千米寬的太空照片顯示了美國愛達荷州的「月球火山口」熔岩場。熔岩流的來源是西北部崎嶇高地邊緣附近的一系列裂縫。可將熔岩流的葉狀形態與圖6 中的金星流進行比較

  地球上的火山活動與其他行星最大的不同之處在於，地球岩漿中氣體不斷上升、膨脹，往往會使相當大一部分火山噴發具有爆炸性。原因有二：其一是循環水、二氧化碳和二氧化硫會從俯衝帶上方逸出，大大增加了原始氣體深層的內部泄漏，因此地球上有更多的氣體會驅動火山爆發；二是大陸地殼的存在有利於形成矽含量高於玄武岩的岩漿。這些富含二氧化矽的岩漿比玄武岩更黏稠，也更容易破碎。日本富士山(Mount Fuji)這種經典的「畫冊」式尖頂錐形火山在地球之外的行星上很少見，因為它們是相對富含矽的火山爆發的結果，而且部分尖頂錐形火山的噴發是爆炸性的。

  火星

  與地球和金星相比，火星上的火山較少，但規模往往很大。大型玄武岩盾狀火山主要分布在塔爾西斯地區(大部分位於圖9中)和埃律西昂地區。奧林匹斯山是塔爾西斯最大的火山，直徑約600千米，從山頂到山底的距離高達24千米，是整個太陽系最大的火山。

  火星有這麼大的火山的原因有兩個。首先，火星是一個「單板塊行星」，其岩石圈是一個完整的外殼，即一個單一的板塊。相對於底層地幔軟流圈，火星的岩石圈實際上是靜止的；而在地球上，板塊相對於地幔柱四處漂移，因此，僅僅幾百萬年，由地幔柱補給的火山就會漂走，火山的岩漿供應也就被切斷了。與地球不同的是，只要地幔柱保持活躍，火星上的地幔柱就會一直向岩石圈的同一地點提供岩漿。奧林匹斯山可能在10億多年前就開始成形了，確切日期無從得知，因為我們只能通過隕石坑計數來確定如今火星地表事物的年代，而無法看到更古老的、被埋在地下的火山內部。奧林匹斯山頂有幾個相互重疊的火山噴發口，其歷史可以追溯到1億~2億年前，但其側翼最年輕的熔岩流大約只有200萬年的歷史，它可能有一天會再次噴發。塔爾西斯高地的其他火山肯定更古老，但如今可能都已經是死火山了。

  圖9　這幅3000千米寬的拼接圖像顯示了火星上幾個巨盾狀火山。左邊是奧林匹斯山，太陽系中最大的火山。圖像右邊的邊緣是塔爾西斯火山。從南部邊緣的中心向東北延伸，分布著三座山：帕弗尼斯山、艾斯克雷爾斯山和什洛尼爾斯山

  火星上有這麼大的火山的第二個原因是「它可以」。火星有一個寒冷而堅硬的岩石圈，約為地球岩石圈的兩倍厚。如果你把奧林匹斯山移到地球或金星上，它們的岩石圈就會因為相對較薄而在負荷之下凹陷下來，這座火山也就失去了高度。

  高解析度圖像顯示了大型火山之間的平原和火星其他幾個地區的熔岩流的細節。然而，這些熔岩流因其具有的一些特徵，也被認為是火山，這引起了相當大的爭議。圖10顯示了一個值得注意的示例。

  圖10　這張圖片展示了50 千米寬的火星的爭議區域，由歐洲航天局的火星快車軌道飛行器拍攝。有人認為這個板塊的表面是熔岩流，有著斷裂冷卻的殼。另一些人則認為這是冰凍海面上破碎的浮冰，現在被灰塵覆蓋。兩個隕石坑的年齡都超過了板塊表面的年齡，它們的邊緣足夠高，可以防止內部被水淹沒。隕石坑實際上是圓形的，但在這張斜視圖中被壓扁了

  地球上曾經收集到30多個火星隕石。隕石要麼是玄武岩熔岩，它們是火星的撞擊物碎片；要麼是更粗糙的晶體侵入的等價物，其結晶年齡的跨度從45億年到1.6億年不等。由此，我們可以推斷，儘管火星表面的大片區域覆蓋著各種各樣的沉積物，但火成岩在深處構成了火星地殼的大部分區域。

  表面過程

  風化層和空間風化

  火山活動是由行星內部活動驅動的，但行星的地貌可以通過其表面活動來塑造。對一個沒有空氣，也沒有大氣層保護的行星來說，直接作用於其表面的過程主要是隕石和微隕石的轟擊。從隕石坑中拋出的碎片狀物質，即「拋射物」，覆蓋了行星地表，深達數米。在這種行星的地表上，有堅實基岩的地方非常罕見(圖11)。月球土壤被稱為「風化層」，阿波羅號太空人在其上留下的腳印主要由幾毫米大小的顆粒組成，包括晶體碎片、微小的岩石碎片和玻璃球。這些玻璃球是冰凍的液滴，由撞擊產生的熱量生成。通過火山口挖掘和拋射物擴散，風化層在各種尺度上不斷地重新排列，這一過程被稱為「衝擊成壤」。在撞擊速度更快的水星上，風化層的顆粒大小約為月球風化層的三分之一。

  圖11　阿波羅號太空人戴夫·斯科特拍攝的哈德利溝紋的遠攝照片。左邊2米厚的水平層是一個罕見的基岩實例——可能是熔岩流構成的，它暴露在了陡峭的斜坡上。哈德利溝紋的其他地方都被風化層覆蓋，風化層的顆粒大小不一，從巨礫到灰塵都有

  如果行星沒有大氣，太陽紫外線就可以直達表面，隨著時間的推移，紫外線可能會破壞化學鍵。如果有微隕石撞擊，又或者行星沒有磁場，來自太陽風的帶電粒子也會影響行星表面的化學性質。這樣，無大氣的行星會經歷一系列被統稱為「太空風化」的過程，這些過程會慢慢改變其表面成分。例如，連接鐵和氧原子的鍵可能被破壞，釋放出氧氣，留下被稱為「納米鐵」的亞微觀純金屬顆粒。

  若一顆行星有大氣層，那麼只有特別大的罕見撞擊物才能以高速到達表面。例如，在地球的大氣層中，尺寸小於150米的石質小行星可能會發生解體，由此產生的碎片足夠小，會通過摩擦減速。因此，它們到達地面時，幾乎已經失去了所有的初始速度，所以不能形成隕石坑。微隕星塵，主要是微隕石，也可能是較大隕石摩擦脫落的碎片，以每百萬年0.1~1毫米的平均積累速度沉降到行星地面。這種塵埃對總沉積速率的貢獻很小，除了遠離陸地的深海海底，微隕星塵通常會完全被其他沉澱物所淹沒。

  侵蝕和運輸

  除了對景觀產生影響，風、流水和移動的冰(冰川)也會磨損岩石，並將岩石碎片帶走。在化學風化過程中，水也能溶解岩石。水中溶解的元素可能會重新出現在其他地方，並在新的礦物質中沉澱。這尤其適用於鹽沉積，也適用於許多形式的碳酸鹽岩。但是在地球上，大多數石灰石，即碳酸鈣，是由海洋生物外殼的碎片形成的，這證明了將溶解的碳酸鹽(或溶解的二氧化碳氣體)轉變成可以變成岩石的固體物質需要一個重要的生物轉化步驟。

  火星上的沙塵暴很有名，它在1809年首次被望遠鏡觀測到。當火星在近日點時，接收到的太陽能比遠日點多40%，火星上速度超過每秒20米的風可以將極其多的塵埃吹到空中，以至於大部分火星表面會持續數周被遮蔽。有時，除了奧林匹斯山的峰頂，幾乎看不到火星表面有什麼凸出的東西。由於經常有雲聚集在奧林匹斯山，它的峰頂通常看起來是白色的，也因此它以前的名字是奧林匹斯之雪(Nix Olympica)，意思是奧林匹斯山上的雪。但這個名字在太空飛行器傳回的圖像顯示這裡真正發生了什麼以後就被修改了。

  從軌道上或地面上都可以看到火星上有許多風的活動跡象(圖12)，它們以較小的風波紋的形式出現在沙丘和表面塵埃中。火星上的一些沙丘正在被風不斷雕鑿，但另外一些的形狀可能已經有數百萬年沒有改變了。風成沙[2]是火星上有侵蝕存在的一個有力證據。大氣的低密度意味著火星上能夠輸送沙粒的風速必須比地球上的風快得多，由於這種磨蝕，一些裸露在外的岩層形成了奇特的形狀。

  圖12　一些沙丘，只缺些等比例的駱駝或棕櫚樹就像地球了。事實上，這張照片是由美國宇航局的機遇號火星車在火星表面拍攝的，它從火山口的邊緣斜拍到火山口底部的沙丘。可見區域大約有100米寬

  金星的大氣密度比地球大得多，其地面氣壓是地球的92倍，因此，即使是緩慢的風也能使沙粒四處移動。金星上也有幾處沙丘，然而在這裡，當風吹起的顆粒撞擊基岩時，侵蝕力十分有限，部分原因是因為稠密空氣的衝擊速度較慢且具有緩衝作用，還有部分原因則是480℃的地表高溫會使材料塑性變形，而不是以易碎的方式磨損。

  對地球人來說，流動的水通常是最常見的泥沙運輸媒介——比如河流中的水，或者海灘上的波浪。在太陽系中，除了地球，目前沒有任何天體的表麵條件能讓水穩定地保持在液態。金星太熱了。火星的正午溫度儘管遠高於0℃，但它的大氣層非常稀薄，表面的冰會直接變成蒸汽，而不是融化成水。有大量的證據表明，火星表面曾經有大量的水流動(圖13)。火星至少經歷了與地球相同的極端氣候，並且在數十億年前，它的大氣密度和濕度足以導致降雨和災難性的洪水。太陽系最大的峽谷系統是火星水手谷(Valles Marineris，水手9號探測器在1971年傳回的圖像中發現了這個峽谷，並以探測器的名字給峽谷命了名)。這是一個4000千米長的裂谷系統，始於地殼的破裂。當水流經水手谷時，由於侵蝕作用，水手谷會變寬。它最深的地方到了地面邊緣以下的7千米處(亞利桑那州的大峽谷只有2千米深)。水手谷還非常寬，以至於如果你站在峽谷的一邊朝對面看時，會發現另一邊消失在地平線之外。

  圖13　一系列東西向的裂縫證明了火星上水手谷複合體的構造起源。在這幅視野為800 千米寬的圖中，水手谷只有一小部分被露出。請注意蜿蜒深切的河道從南面進入，這顯示了流動的水在拓寬主峽谷中發揮的作用

  儘管水手谷廣闊無垠，卻一直沒有被前太空時代的望遠鏡觀測人員發現過。1877年，義大利人喬范尼·夏帕雷利(Giovanni Schiaparelli)繪製了臭名昭著的火星「運河」地圖，隨後得到了美國人珀西瓦爾·洛厄爾(Percival Lowell)的支持。洛厄爾於1916年去世，他一生都認為這些運河是聰明的火星人設計的巨大工程。事實上，這些運河與火星上許多真實存在的河道沒有任何關係，其中補充支流分支網絡的水可能是由降雨提供的，包括圖13中所示的許多長得多的河道。流經其他地方的水可能是永久凍土融化的時候，從地下漏出來的。河道注入平原形成的流線型「島嶼」，表明它們曾被巨大的洪水沖刷過。在這些地方降落的機器人著陸器(1976年的海盜1號和1997年的火星探路者號)發現了大量洪水沖刷之後留下的岩石。

  火星上主要的山谷無一例外都有許多撞擊坑，所以很明顯，它們一定是古老的，並且最後一次流動發生在10多億年前。在最後一次流動之後，許多山谷的側壁都發生了山體滑坡，谷底如今布滿了由寒風吹成的火星沙丘。在20世紀70年代和80年代，大多數科學家會告訴你，儘管火星在遙遠的過去曾經歷過至少一個潮濕的時期，但現在除了兩極有小水冰覆蓋外，其他地方都很乾燥。想像一下，在1999年，當一架名為「火星軌道相機」的高解析度成像儀開始在火星的幾個陡坡上發現那些只有幾米寬、幾百米長的溝壑時，人們會有多麼驚訝。這些溝壑缺少重疊的隕石坑，經過觀察，其中許多溝壑下游的碎片堆積扇已經開始掩埋沙丘。這些特徵表明這些溝壑一定是年輕的，但年輕到什麼程度，在「火星軌道相機」發現溝壑不久之後，新的圖像開始變化，這證明了一些溝壑在今天仍然是活躍的(圖14)。

  圖14　1999 年8 月（左）和2005 年9 月（右）拍攝的兩張照片，展示的是一個1.5 千米寬的區域，這個區域展示了直徑6 千米的火星隕石坑內壁。隕石坑邊緣穿過左上方，斜向畫面右下方。邊坡內壁上有許多侵蝕溝壑，其中一條溝壑在這兩個日期之間似乎是流動的，一些蒼白的碎屑流到了較低的斜坡上

  爭論的重點已經從質疑火星最年輕的溝壑的年齡轉移到關注火星溝壑是如何被開鑿上。有一種理論認為，水是開鑿溝壑的「罪魁禍首」。在火星地下土中，可能有承壓的液態地下水儲集層存在。當斜坡(如圖14中的火山口壁)在地下水位以下破裂時，土壤中的冰屏障(永久凍土)通常會阻止水逃逸。然而，如果屏障被暫時拆除，水就會湧出來。這種液體是穩定的——它在流動時既沸騰又凍結——但它可以在完全蒸發之前穿過這些溝壑的其中之一。持懷疑態度的人認為，溝壑的開鑿並不需要液體，可以被解釋為乾燥岩石崩裂的結果。

  一些火星科學家發現了火星表面有冰川存在的證據，特別是在高原邊緣的侵蝕地帶。現在，火星表面除了兩極外沒有其他可見冰層，但從軌道上拍攝的高解析度圖像顯示，火星表面布滿地面的岩石可能是覆蓋(和隔離)地下冰的碎片。從火星軌道獲得的探地雷達數據證實了這一點，這也是為什麼我更願意把圖10中顯示的區域視作被灰塵覆蓋的冰凍海洋，而不是熔岩流的原因之一。

  月球上的河道，如哈德利溝紋(圖5)，是熔岩通道。這些河道不是被水沖刷出來的，月球上唯一的水是兩極附近風化層中的少量冰。在金星上，人們已經標記了200多條蜿蜒的河道，其中一條長達6800千米。金星不太可能經歷過足夠極端的氣候變化，能讓足夠近期存在的液態水侵蝕出這些通道，所以這些河道可能也是被熔岩沖刷而成的。

  表面特徵的命名

  我已經多次使用過其他行星地形地物的名稱：奧林匹斯山、水手谷、哈德利溝紋等。如果沒有這些名字，我就只能說它們是「火星上最大的火山」「火星上巨大的峽谷系統」和「阿波羅15號著陸處附近的那條大溝」。除非使用一個完全無法記住的坐標系，否則對不那麼引人注目的那些地物，我將更難描述。

  沒有人在這些行星上住過，那麼誰來制定行星地物的名字？這些名字正式嗎？當天文學家們第一次開始用望遠鏡標記這些行星的地圖的時候，有些人思想足夠獨立，給這些地表特徵創造了獨特的名字，並且他們通常不會考慮任何前人成果。成立於1919年的國際天文學聯合會的早期任務就是整理混亂的行星地表名稱，為被多重命名的地表特徵制定唯一的官方名稱，並為未來的命名建立標準和慣例。這些標準和慣例會被運用到新發現的天體和行星表面的特徵上。這裡的行星表面特徵可能是人們想命名的特徵，也可能是由於成像技術的改進而變得可見的特徵。最初，成像技術的改進僅僅是指更大更好的望遠鏡。國際天文學聯合會的創始人沒有意識到，他們已經建立了一種方法，可以對由宇宙飛行器揭示的行星表面特徵的命名進行監督。

  一些人會批評國際天文學聯合會對冥王星重新分類的處理，但我知道，沒有人會對國際天文學聯合會管理下，行星表面特徵的命名的基本原則有負面意見。這是公平的，非政治性的，並試圖體現世界上所有的文化，不只對單一個體，而對整個太陽系保持中立。

  國際天文學聯合會的命名法以對月球的表面特徵的命名作為慣例。給環形山一個「不稱職」的名字，但給其他大多數行星地表特徵的命名都是一個名詞加上一個拉丁描述詞，用來表示它的類別。比如，「奧林匹斯山(Olympus Mons)」的意思是「奧林匹斯山(Olympus Mountain)」，這個名字可以立即告訴你，這個地表特徵是一個名為奧林匹斯的山。雖然沒有人懷疑奧林匹斯山是一座火山，但我們看到描述詞並沒有這樣說。描述詞會避免可能是錯誤的解釋，只純粹地進行描述。

  你可能會遇到的常見描述詞有：裂谷(一種深深的、細長的、陡峭的窪地)、起伏(一種流狀特徵)、塹溝(長、窄、淺的凹陷)，平原低地(低洼平原)、平原高地(高平原或高原)、峭壁(懸崖)和谷(分支谷)。在月球上，還有mare(複數maria)，翻譯過來就是「海」。這個名稱已經根深蒂固，無法用一個更貼切的詞來替代。

  每個星球上的名字都有主題。月球上的環形山是以已故的著名科學家、學者和藝術家的名字命名的，月球上的海則用描述各種氣象條件的拉丁語來命名。除了月球，火星是唯一一個在國際天文學聯合會參與之前就有大量名稱流傳的地方。這些名字來自喬范尼·夏帕雷利和歐仁·安東尼亞第(Eugenios Antoniadi)在19世紀晚期的望遠鏡測繪，後來加上了現代描述詞。主要包括一些廣闊的區域，如塔爾西斯地區和埃律西昂地區。火星上的每一個大山谷都以不同國家語言中的「火星」命名，小山谷則以地球上的河流命名。在金星上，幾乎所有的名字都和女性有關：隕石坑是以歷史上著名的女性命名的，其他大部分特徵都是以女神命名的。在水星上，隕石坑是以死去的藝術家、音樂家、畫家和作家的名字命名的，峭壁(懸崖)則是以科學探險隊或船隻的名字命名的。比如獵犬懸崖(圖4)就取自英國皇家海軍的獵犬號，查爾斯·達爾文也乘坐過這艘船。他在航行的過程中收集了大量啟發進化論的觀察資料。

  類似的命名原理也適用於小行星和其他行星的衛星。例如，木星的衛星木衛二上有以凱爾特神和英雄命名的環形山，木衛二其他大部分特徵的名字都取自古典神話。

  大氣

  每顆類地行星誕生後，其內部氣體都會從岩漿海洋中逸出，類地行星必定都有過大氣層。儘管從火山逸出的氣體能顯示大氣曾經的樣子，但是這些原始的大氣層如今已經不復存在。月球和水星的引力太小，不能抓住大氣這張「毯子」。你有時可以看到月球和水星的「大氣」加了引號，因為其「大氣」壓力小到只有地球大氣壓力的十億分之一，它們主要由微隕石和宇宙射線撞擊表面產生的游離原子組成。這些原子是如此稀少，以至於每個原子都更可能飄向太空，而不是與另一個原子相撞。這種狀態形成了行星的「外逸層」，它原本是大多數其他行星的大氣中最外層的稀薄地帶，卻是月球和水星所能聚集的全部大氣。

  質量更大的類地行星的引力更強，這使它們能夠更有效地留住氣體，即使這些行星大氣的密度和化學成分已經在無數的演化過程中變得面目全非。早期更活躍的太陽風可能帶走了大部分原始大氣，但這些大氣會通過火山活動進行補充。一個重要的、正在進行的過程是短波長的太陽紫外線可以把水蒸氣分子分解成氫和氧。氫非常輕，可以逃逸到太空，這使得水的光解成為一個不可逆的過程。金星和火星都以這種方式失去了大部分原本的水分。表4總結了如今金星、地球和火星大氣的組成。

  表4　如今類地行星的大氣

  *表中展示了六種最常見氣體的豐度，以分子總數的百分比(地球大氣中的水變化很大)、表面壓力以相對地球的倍數形式表示

  由於被紫外光分解，大氣分子可以通過一系列被稱為「光化學」的反應與其他分子結合。這一現象在距地表約100千米的「熱層」中尤為明顯。之所以將這個區域命名為「熱層」，是因為這一層被太陽紫外線能量加熱，這種能量要麼用於分解分子，要麼用於剝離電子，後者被稱為電離。離子(主要是地球上的氧和金星、火星上的二氧化碳)在熱層的外層中非常常見，它們形成了一個被稱為「電離層」的導電層。當太陽風暴將等離子體從太陽帶到地球時，這些等離子體會扭曲地球磁場，導致地球電離層中產生異常電流，嚴重干擾無線電通信，甚至導致電力故障。

  大氣層較深處，也就是紫外線無法穿透的地方，不受光化學的影響。這裡的空氣主要是通過與地面的接觸變暖，而地面是由太陽加熱的。所以在大氣層最低的一層對流層中，隨著高度的上升大氣溫度反而下降。大氣壓力和密度也是同理，這意味著對流層包含了大氣的大部分質量。由於空氣和岩石之間的化學反應，對流層的成分會變化，這是風化作用的必然結果。再加上生命活動，地球上對流層的成分會演化。植物和原始的單細胞生物僅在這裡利用太陽能和大氣中的二氧化碳來建造身體，釋放出原始大氣中極為罕見的氣態氧。沒有植物，像人類這樣靠氧氣生存的動物就不能生存，地球對流層的溫度也會不同，我稍後會解釋這一點。

  當對流層底部附近的空氣受熱時，它們會膨脹，從而有了浮力。於是底部附近的空氣上升，取而代之的是來自上方的冷空氣。另一個對流的例子就是之前在一顆行星的地幔中。空氣對流驅動著地球、金星和火星上的天氣變化。但每顆行星對流的環流模式是不一樣的，因為對流還取決於行星的自轉速度(金星的自轉速度緩慢)、大氣的旋轉速度(金星對流層上部的旋轉速度遠遠超過金星本身的旋轉速度)和晝夜溫差(火星的晝夜溫差大、金星的晝夜溫差小)等因素。圖15顯示了金星南極上方的典型環流。相反，地球大氣中的螺旋風暴系統往往始於熱帶附近。

  地球複雜的大氣層與它鄰居們的不同。在金星和火星處，溫度隨對流層高度的上升迅速下降，在被稱為中間層(非對流層)的地方，溫度隨高度上升緩慢下降，之後在熱層，由於吸收了紫外線，溫度再度隨高度的上升而上升。但地球在類地行星中是獨特的。在地球對流層和中間層之間有一段高度約10~50千米的區域，在這裡，溫度隨高度的增加而增加，這就是平流層。平流層變暖的原因是臭氧分子會吸收230~350納米波長的紫外光子(熱層和中間層對紫外光子是透明的)。臭氧是三個氧原子結合在一個分子(O3)中，而不是兩個氧原子結合在一個分子(O2)中。臭氧是由大氣中含量較高的氧通過光化學反應組裝而成的。兩個氧原子(O2)通常是指「氧」。

  圖15　間隔24 小時拍攝的，金星上直徑2000 千米的南極旋渦的「眼睛」。這個點表示南極。這些用中紅外線拍攝的圖像顯示的是距離金星地表約60 千米的雲頂。「眼睛」的中心更溫暖，看起來更明亮，表明這裡的雲被向下拉到了更溫暖、更深的大氣層

  溫室效應和臭氧層空洞

  很多人都知道「臭氧層空洞」和「溫室效應」，但他們往往把「臭氧層空洞」和「溫室效應」混為一談，認為它們是氣候變化的雙生子。但是，這兩者是截然不同的。

  臭氧層(僅)存在於地球的平流層，是吸收230~350納米紫外線的地方，這對我們和其他生活在地表的生物來說非常重要，因為230~350納米的紫外線輻射會導致皮膚癌和基因損傷。令人驚訝的是，只需要很少的臭氧就能為地球上的生物提供一個有效的屏障。如果你把平流層中分散的臭氧全部收集起來，在海平面上鋪開，只會形成一層3毫米厚的脆弱面紗。因此，在20世紀70年代和80年代，當人們發現南極洲上空的平流層失去了大約一半的臭氧時，人們非常擔心，並開始談論「臭氧層上的空洞」。臭氧丟失的主要原因是它會與一種叫作氯氟碳化合物(CFCs)的工業化學物質反應。這些化學物質現在已被禁止用於氣溶膠噴霧劑和製冷劑，以免它們泄漏到大氣中。南極的臭氧層空洞和北極上空較小的臭氧層空洞現在已經穩定下來。在極地以外的地區，臭氧只損耗了百分之幾，尤其在熱帶地區根本探測不到。

  臭氧濃度與全球平均溫度之間沒有直接聯繫。臭氧層被嚴重損耗會讓生活變得不愉快，但這與氣候變化或全球變暖幾乎沒有關係。行星對流層的溫度是由低層大氣吸收紅外輻射的效率來控制的，因為可見光會使地面變暖，而變暖的地面會發出紅外線輻射。大氣的溫度取決於兩個因素：(1)它與地面接觸時吸收的熱量；(2)它能吸收地面反射的紅外輻射的量。

  大多數氣體對紅外輻射來說是透明的，但由兩種或兩種以上不同元素組成的分子吸收紅外輻射的能力相當強。因此，氮(N2)、氧(O2)和氬(Ar)不吸收紅外線，而水蒸氣(H2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和甲烷(CH4)則相反。行星大氣對紅外輻射的吸收就好比把熱量困在溫室里一樣，被稱為「溫室效應」。在金星、地球和火星的大氣層中存在著一種自然的溫室效應。金星的大氣溫室效應使其表面溫度保持在驚人的500℃以上，這主要是由於金星含有大量的二氧化碳。水蒸氣和二氧化碳將地球溫度加熱至大約30℃。火星的大氣層稀薄，富含二氧化碳，其溫室效應僅到6℃左右。

  地球的溫室效應使地球的溫度保持在一定範圍內，以滿足在這裡生命進化的需要。在生命的調節下，地球溫室效應的強度發生了變化，使地球的溫度保持在合適的範圍內。40億年前，太陽的亮度只有今天的70%，所以如果那時地球的大氣層和今天一樣的話，地球會冷得多。但是，在40億年前，地球的大氣層的主要成分可能是二氧化碳，密度是今天的100倍，所以溫室效應會更強。由於原始藻類的存在，地球大氣層現在的二氧化碳含量下降到了大約5億年前的十分之一左右，溫室效應肯定也在下降。游離氧(O2)最早出現在22~27億年前，在2~2.5億年前達到峰值，濃度約為目前的170%。顯然，地球上的生命不僅受大氣成分變化的影響，而且還從中受益。

  自工業時代以來，人類就以各種方式影響著大氣：臭氧損耗、工業煙霧等。但是，我們最應該擔心的是我們向大氣釋放的二氧化碳，或者更確切地說，我們向大氣返還的二氧化碳，因為其中的大部分二氧化碳是在以前，由生物體從大氣中提取出來，並以煤或石油的形式封存起來的。自1960年以來的50年間，大氣中二氧化碳的含量增加了約20%(比任何自然過程都要快)，並且仍在增加。這種「人為溫室效應」將不可避免地導致全球氣候變暖。氣溫只需上升幾度就會影響生態系統，也會使局部天氣(包括短期氣溫波動)更加極端。氣溫上升的另一個後果將是全球海平面上升，這主要是因為水會隨著氣候變暖而膨脹。因此，雖然大氣中的自然溫室效應是一件好事，但人類引起的溫室效應的迅速增強可能會對我們的文明帶來潛在的災難性後果。

  自然溫室效應逐步降低抵消了太陽光度的緩慢增強。在自然溫室效應普遍逐漸減弱的背景下，地球的氣候發生了幾次變化，冰河時代是其中最著名的例子。在冰河時代，大部分(甚至全部)的地表水都被凍結了。這些氣候的變化與其說是由大氣控制的，不如說是由地球軸傾角和軌道偏心的變化控制的，類似的效應可能解釋了火星表面濕度隨時間的劇烈變化。

  雲

  雲層具有很強的反射率，所以雲層越厚，直接反射回太空的太陽能就越多。但是，多雲的天空也增加了大氣對陽光照射到地面的熱量的吸收能力，因此雲層對全球氣溫的影響是複雜的。金星上連綿不斷的雲層並沒有使它的表面免受溫室效應的加熱影響。

  當溫度和壓力使大氣的某些成分凝結成液滴或冰粒時，雲就形成了。就類地行星而言，形成雲的相關成分通常是水。雖然水只占金星大氣層的一小部分，但在距金星表面45~65千米的對流層頂部，有足夠的水來形成一層連續的雲。在那裡，水蒸氣凝結成直徑約2微米的水滴，它們保持懸浮，因為太小無法下落，又被稱為氣溶膠。金星大氣中的二氧化硫溶解在其中，這些水滴就變成了硫酸。但是，如果有人試圖告訴你這是「在金星上下硫酸雨」，那他們就錯了。無論這些水滴被大氣環流拉到45千米以下的什麼地方，熱量都會使它們再次蒸發，而且它們永遠沒有機會變成大到足以落向地面的雨滴。

  在地球的地表以上大約6千米處，雲主要是由微小的冰粒子組成，而在這個高度以下，雲的成分主要是水滴。雨雲其實不是灰色的，只是看起來像罷了，這是因為雨雲足夠厚，可以遮擋許多的光。在火星上，雲層相對稀少。在火星對流層的大多數地方，雲層是由水冰構成的，但在對流層/中間層邊界附近約80千米處，我們觀察到的是二氧化碳粒子云。

  極冠和海洋

  除了凝結成雲，大氣成分也可能在行星表面凝結成冰或液體。地球是目前唯一擁有海洋的類地行星，而海洋當然是由水構成的。在行星的兩極附近，水會被凍結形成極冠。年輕的金星可能曾經歷過海洋覆蓋星球的短暫紀元，在這之後，蒸發的水蒸氣加劇了迅速增長的溫室效應，導致了目前的乾旱。這些水蒸氣蒸發後會因為光解作用而消失。

  但火星是不同的。有種說法是大約38億年前，一個巨大的「北歐大洋」(Oceanus Borealis)占據了火星上整個地勢較低的北方平原，這在20世紀90年代風靡一時。目前雖存在爭議，但許多人接受火星上可能有湖泊的觀點。這些湖泊的面積如果足夠大，比如在河道流動時期(圖13)，就被稱為「海洋」，一些冰凍的遺蹟甚至能保存下來，只是被灰塵覆蓋(圖10)。但毫無疑問的是，火星如今的極冠表面有冰存在(圖16)。這些冰包括「永久」的水冰和隨季節生長和收縮的二氧化碳冰霜。

  圖16　在早春（左）和盛夏（右）時，1500 千米寬的火星北極冠照片。在夏天，大部分二氧化碳冰霜已經升華（從冰變成蒸汽），只留下殘留的「永久」水冰冠

  地球和火星的極冠會與大氣相互作用。實際上，它們的極冠是大氣中「凍結」的氣體沉積物，要麼以雪的形式從雲層中落下，要麼直接凝結在地面上。當溫度升高時，極地冰冠中的物質會以先融化然後蒸發(地球上的水或過去火星上的水)，或直接從冰升華為蒸汽(如今火星上的二氧化碳和水)返回大氣中。

  這樣的循環不可能發生在像月球和水星這樣沒有大氣的天體上，所以我們也不會指望在月球和水星上出現極地冰冠。但是在20世紀90年代，人們注意到從這兩個天體兩極附近的隕石坑內部的永久陰影區域反射出來的雷達信號強度不同尋常，與將水冰作為顆粒分散在風化層中反射的雷達信號一致。對此，一種可能的解釋是：這些隕石坑的底部很寒冷，以至於任何游離的水分子都傾向於附著在它表面。

  極冠的水不一定是這些天體自帶的，它可能來自後來的彗星撞擊。如果要在月球上建立一個人類殖民地，甚至只是一個永久使用的基地，能否在月球上找到水源至關重要。顯然極地是尋找水源的最好選擇。2009年，一艘宇宙飛船撞進了一直被陰影籠罩的一個極地隕石坑，拋射出的羽狀物證實了月球上有水存在。其他太空飛行器獲得的紅外光譜也顯示出，水和水合礦物分散在月球上很多地區的風化層中，雖然濃度很小，但這讓人們發現月球可能沒有那麼完全不適合居住。

  循環

  行星內部、表面和大氣之間的相互作用，以及它們之間成分的循環是極其重要的。地球的「水文循環」是最常見的例子，它不是一個單一的循環，而是一系列相互連接的循環組合。從本質上說，海洋中的水蒸發形成雲，然後凝結成雨或雪的形式，最終通過河流或季節性出現的極冠回到海洋中。水可以被吸入地球內部，通過地面的滲透進入俯衝帶深處或淺一些的地方，並通過火山重新出現。水還可以與岩石發生化學反應(風化)，並儲存在礦物中。地球還有一個重要的「碳循環」，大氣中的二氧化碳、活的動植物、溶解的二氧化碳、海洋石灰岩、碳氫化合物沉積物、火山氣體等參與，它們之間形成了循環。

  火星上肯定也會有類似的循環，儘管這些循環表現得更為零星，發生在不同的時間尺度上，且每個循環的相對重要性也不同。金星上可能還有更慢的二氧化碳和二氧化硫的循環。在這個循環中，大氣會風化金星表面的岩石，這些岩石最終會被熔岩流埋到深處，在那裡，氣體再次被釋放出來，並通過火山口逃回大氣。在我們探索並記錄下這些多循環和相互關聯周期的複雜性與時間尺度之前，我們對每顆行星「運行機理」的理解仍然是不成熟的。

  [1]　本書成書於2010年。

  [2]　指風力作用形成、搬運、堆積的沙粒及沙丘。